噴墨打印技術不只是可以用來打印紙張

　　噴墨打印技術不僅僅用于打印紙張，它還能構建 DNA 陣列、3D 結構等等，應用領域廣泛。微機電系統 (MEMS) 的發展使得噴墨打印技術更加精細高效。

　　在上世紀八十年代初期，辦公室里充斥著金屬敲擊墨帶、在紙上留下字符的噪音。IBM 選擇性打字機咔嗒作響，菊花輪打印機哐當作響，點陣打印機發出刺耳的撕裂聲。

　　如今，這些噪音都消失了。盡管我們現在花更多時間在屏幕上閱讀，但打印紙張并沒有退出歷史舞臺。

　　造成這種安靜的主要原因是什么?噴墨打印機。雖然激光打印機在商業環境中承擔著大型打印任務，但噴墨打印機已經成為我們大多數人在家和辦公室使用的打印機。

　　噴墨打印機的打印頭執行著非凡的任務。即使在分辨率只有 96 dpi(每英寸點數)的情況下，這在上世紀八十年代的早期型號中很常見，點中心到點中心的距離也只有 260 微米。要填滿一張標準的帶有 2.5 厘米邊距的信紙，需要噴射超過 50 萬個單獨的墨滴。輸送這些微小的墨滴需要非常精確的控制，并且在盡可能快的速度下重復大量次。微機電系統 (MEMS) 非常適合這項工藝，微機電系統是一種利用微觀組件的電子器件。

　　只要能夠將某種物質以合適的流體特性封裝成微小的墨滴，那么就有人會想辦法讓噴墨技術適應這種物質。

　　和所有微技術一樣，噴墨系統的規格隨著時間的推移也發生了巨大變化。上世紀八十年代中期，一臺典型的噴墨打印頭有 12 個并行工作的噴嘴，每個噴嘴每秒可以噴射多達 1350 個墨滴，從而每秒打印 150 個字母數字字符。如今，商用印刷機中使用的高端噴墨打印頭可能包含 21,000 個噴嘴，每個噴嘴每秒可以噴射 20,000 到 150,000 個墨滴。每個墨滴可能只有 1.5 皮升——皮升是升的一兆分之一——直徑大約 14 微米。

　　噴墨打印機使用的噴墨技術超越了發明者的想象，除了在紙張上噴墨點之外，還發現了許多其他應用。這些應用包括用于基因組學的 DNA 微陣列、用于印刷電路板的電路走線以及構建 3D 打印結構。未來的應用可能包括個性化醫療和開發先進電池。

　　事實上，如今搜索包含“噴墨”一詞的專利會返回超過 92,000 條結果。只要能夠將某種物質以合適的流體特性封裝成微小的墨滴，那么就有人會想辦法讓噴墨技術適應這種物質。

　　MEMS 如何改變噴墨打印技術

　　噴墨技術的歷史可以追溯到 1948 年，當時瑞典發明家 Rune Elmqvist 申請了一項圖表記錄儀的專利，該記錄儀使用一個非常細的玻璃管，通過控制墨流在移動的紙帶上留下痕跡。幾年后，他用這種裝置展示了一臺記錄心電圖的儀器。

　　1965 年，斯坦福大學的 Richard G. Sweet 開發了一款圖表記錄儀，該記錄儀將墨流分解成均勻帶電的墨滴流。流兩側的導流電極可以使墨滴直接落在紙上，也可以將它們偏轉到吸收墊上或引流槽中收集再利用。

　　這種技術稱為連續噴墨打印，到 1976 年，IBM 將其應用于商用打印機 IBM 6640 中。但是連續噴墨即使在使用循環利用的情況下也會因墨水蒸發而浪費墨水，限制了它們的吸引力。

　　為了解決連續噴墨的浪費問題，其他人致力于開發按需噴墨打印機，打印頭上的每個噴孔每次噴出一個墨滴，避免了連續墨滴流的浪費。表面張力將墨水固定在一個微小的開放噴嘴中，直到一個機構推動墨水噴出一個墨滴。每個撞擊紙張的墨滴都會形成一個點，打印頭來回移動會生成圖像。具有多個噴孔的打印頭可以同時噴射許多墨滴，因此打印頭每次經過頁面都會添加圖像的一部分，而不僅僅是一條細線。

　　上世紀七十年代末，西門子公司率先銷售了按需噴墨打印機。它不是像現代桌面打印機那樣獨立的設備，而是作為西門子 PT80i(打印終端 80 噴墨)計算機終端的組成部分。該打印機使用壓電致動器圍繞 12 根墨水管，為 12 個噴嘴提供墨水，以噴射墨滴，每秒打印 270 個字符。

　　壓電器件依賴于某些材料在施加電壓時會改變形狀，例如陶瓷鋯鈦酸鉛 (PZT)。這種效應在 MEMS 中已被證明非常有用，用于根據指令生成精確的力和運動。如果將 PZT 層粘合到非壓電材料上，形成所謂的雙壓電器件，則在施加電壓時會彎曲。在壓電噴墨噴嘴中，雙壓電器件的彎曲會將墨水從噴孔中推出。

　　然而，這種新穎的打印技術在 1970 年代還不像成熟的擊打打印機那樣可靠，而且如果打印機出現故障，整個西門子終端都將無法使用，因此沒有流行起來。

　　與此同時，惠普和佳能的研究人員注意到，墨水在接觸到烙鐵等熱元件時會沸騰并濺射，他們決定將這種濺射轉化為一種有用的噴墨打印機制。他們知道電阻器可以用作加熱元件，并且可以采用與集成電路相同的技術進行微型化。在他們構建的打印機中，每個墨水噴嘴都包含一個電阻器而不是壓電致動器。電脈沖加熱電阻器，快速沸騰墨水的一薄層，形成一個快速膨脹的氣泡，將墨水滴推射出噴孔。

　　這項工作導致兩種相互競爭的熱噴墨技術在 40 年前幾乎同時上市。(同年，1984 年，愛普生推出了獨立的壓電噴墨打印機。)

　　惠普的 HP ThinkJet 是其基于熱技術的首款桌面噴墨打印機，旨在連接到個人電腦進行日常打印。它與最近開發的激光打印機相比具有直接的優勢：它便宜得多。惠普的一臺桌面激光打印機售價 3500 美元(相當于今天的 10,500 美元);惠普的 2225A ThinkJet 只需 495 美元(相當于今天的 1,500 美元)。噴墨打印機的功耗也遠低于激光打印機，而且噪音更小。不可否認，噴墨打印機的分辨率不高——在早期，噴墨打印機的分辨率為 96 dpi，而激光打印機的分辨率為 300 dpi——而且速度較慢。

　　但噴墨打印機的優勢超過了劣勢(隨著技術的改進，優勢更加明顯)，噴墨打印機開始主導桌面和家用打印機市場。如今，超過 20 家公司生產噴墨打印機，年市場規模超過 1000 億美元，并繼續以每年超過 8% 的速度增長。

　　使用噴墨打印 DNA 微陣列

　　隨著噴墨打印機制造業務的成熟和增長，一些公司開始探索可以用噴墨打印機輸送哪些其他類型的“墨水”。其中一家是 Agilent Technologies，它是惠普公司的一家分拆公司，專注于生命科學和化學分析技術。Agilent 開發了一種方法，可以從四種核酸堿基——胞嘧啶 (C)、鳥嘌呤 (G)、腺嘌呤 (A) 和胸腺嘧啶 (T) 中打印 DNA 鏈。具體來說，該公司將現有的 DNA 化學方法和噴墨打印技術相結合，在玻璃載玻片上構建 DNA 微陣列，用于基因組學工作，例如測量生物體在不同條件下表達哪些基因。學術研究人員已經分享了開源方法，將現有的噴墨打印機改造為構建他們自己的微陣列，盡管它們的規格比商業系統貴很多。

　　噴墨打印技術不只是可以用來打印紙張

　　在噴墨噴嘴的靜止狀態[頂部]下，油墨通過表面張力保持在適當位置。在熱噴墨噴嘴[左]中，施加到加熱電阻器的電壓脈沖使一薄層油墨快速蒸發，產生膨脹的蒸汽泡[左，中]，將油墨液滴從孔[左，下]推出。在不到一毫秒的時間內，蒸汽重新冷凝，腔室冷卻并重新充滿墨水，使噴嘴返回到靜止狀態。壓電噴墨噴嘴[右]由壓電雙晶片驅動，當施加電壓[右，中]時，壓電雙晶片彎曲以推出墨滴[右，下]。

　　DNA 微陣列由底物(通常是玻璃)組成，上面排列著稱為斑點的微小區域，DNA 鏈附著在這些區域上。Agilent 在單個 2.5 厘米 x 7.6 厘米的載玻片上最多可生產 100 萬個斑點。開源系統在一個稍小的區域內放置多達 10,000 個。每個 DNA 鏈由堿基 C、G、A 和 T 的序列組成。在雙鏈 DNA 中，鏈具有互補序列，它們像梯子的橫檔一樣連接起來，C 與 G 連接，A 與 T 連接。

　　DNA 微陣列使用單鏈 DNA，每個斑點有數百萬個具有共同序列的鏈。當含有互補鏈的樣品沖洗斑點時，這些鏈與錨定在斑點上的鏈結合。樣品鏈標記有熒光分子，用戶通過檢查哪些斑點亮起即可了解樣品中存在哪些 DNA 序列。

　　在 Agilent 制造微陣列的方法中，打印機多次掃描底物，每次掃描向斑點中的每個鏈添加一個堿基，并進行中間步驟以準備下一次掃描。

　　噴墨打印技術不只是可以用來打印紙張

　　可以使用噴墨系統在陣列的每個點處構建定制設計的DNA鏈來制造DNA微陣列。打印頭將含有一種核苷酸[G、C、A或T]的修飾單體的“墨水”[左]液滴輸送到每個點。在第一個印刷周期，這些單體附著在化學處理的玻璃表面。在隨后的打印過程中，一個單體連接在每一條不斷生長的DNA鏈的末端。每個單體包括一個保護帽，以防止其他單體加入。額外的過程[此處未描述]洗掉核苷酸油墨，施加催化劑以完成單體結合，并剝離保護帽以準備下一個印刷步驟。

　　添加堿基實際上是一個三步過程。微陣列斑點中每個生長的鏈末端都有一個分子“帽”，可以防止更多堿基的無序添加。因此，第一步是通過洗滌溶液去除或鈍化那些帽。第二步類似于打印頁面：在微陣列上的每個斑點，噴墨打印機添加一滴含有下一個要添加到鏈末端的單體分子(C、G、A 或 T 的修飾版本)的液體。這些單體每個都包含一個新的帽，這樣每個鏈只能添加一個分子。雖然新添加的單體現在已經附著在鏈上，但連接還不完全穩定，因此第三步應用氧化劑溶液來修飾鍵，將新單體完全整合到 DNA 結構中。沖洗并重復。

　　開源噴墨構建的通用性允許研究人員快速構建帶有他們想要嘗試的任何序列的原型陣列。新的陣列可以在一天內設計、合成和用于分析 DNA。一組研究人員報告說，使用他們的系統，每個堿基的附加循環時間為 10 到 20 分鐘，或者大約 13 小時可以生產一批陣列，每個陣列包含約 10,000 個包含 40 個堿基鏈的斑點。相比之下，Agilent 的商業微陣列通常具有長達 60 個堿基的鏈。

　　Agilent 還使用其噴墨系統合成另一種基因組學工具，稱為寡核苷酸文庫。該過程與制造微陣列相同，但最后所有鏈從底物上切割下來，干燥并包裝在一起，供客戶使用。Agilent 的噴墨打印文庫的鏈長可達 230 個堿基。

　　使用兩種噴墨墨水進行 3D 打印

　　除了打印二維頁面和構建一維分子鏈之外，噴墨技術多年來一直用于生產三維物體。一種方法是粉末床 3D 打印的變體，其中通過在所需圖案中熔合或粘合粉末層來構建物體。噴墨打印頭將液體粘合劑滴加到粉末的每一層，在將形成成品 3D 物品的區域。

　　HP Multi Jet Fusion (MJF) 系列 3D 打印機通過沉積兩種類型的墨水來擴展這種方法：一種是粘合劑促進劑，另一種是細化劑，應用于圖案的邊緣以防止促進劑滲入周圍的粉末。攜帶大量噴墨噴嘴的打印頭分配這些墨水，隨后是照明條快速加熱粉末，在存在粘合劑促進劑的區域將其熔合。然后將新鮮的粉末層鋪設在頂部，并重復該過程，直到構建完成。MJF 打印機可以快速創建復雜的 3D 對象，包括具有細微特征和內部結構的對象。

　　噴墨打印技術的未來充滿希望。研究人員正在探索使用噴墨打印機制造各種新材料和產品的可能性，包括用于組織工程的生物材料、用于電子設備的導電材料以及用于電池的新型電極。

　　噴墨打印的未來不僅僅是紙張。這項技術已經徹底改變了打印方式，并且它還有可能改變我們制造各種物品的方式。